Comment le CEA prépare le retour du solaire en Europe avec ses cellules à hétérojonction

Sur les rives du lac du Bourget (Savoie), une poignée de personnes en combinaison s’active autour de la ligne pilote pré-industrielle de l’Institut national de l’énergie solaire (Ines). Carrées, bleutées, striées de lignes argentées… Les cellules photovoltaïques (PV) qui en sortent ressemblent à n’importe quelles autres. Elles sont pourtant d’un nouveau genre. Ici, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) développe des cellules à hétérojonction (SHJ), composées d’une couche de silicium monocristallin (c-Si) entre deux couches de silicium amorphe. Une architecture qui diffère de celle dominant le PV aujourd’hui : l’homo­jonction, avec deux couches ­c-Si.

La technologie SHJ du CEA a été retenue par deux industriels en Europe. Depuis octobre 2019, l’italien Enel produit à Catane (Italie) 200 mégawatts par an de panneaux solaires l’utilisant et vise 3 gigawatts par an (GW/an). Rec Solar l’a également choisie pour sa potentielle future usine de 2 puis 4 GW/an à Hambach (Moselle).

Concurrencer la Chine sur le solaire

Ces deux projets illustrent la volonté d’implanter en Europe des usines de cellules PV, après l’effondrement du secteur dans les années 2010 face à la concurrence chinoise, souligne Anis Jouini, le directeur général de l’Ines. « L’Europe a récemment favorisé les batteries et l’hydrogène. Le solaire suit. C’est stratégique. » La fédération professionnelle SolarPower Europe (SPE) et l’Institut européen d’innovation et de technologie (EIT) InnoEnergy ont lancé en février 2021 la European Solar Initiative avec l’ambition de fabriquer 20 GW/an de panneaux solaires en Europe d’ici à 2025. Une initiative « bienvenue » selon le commissaire européen au Marché intérieur, Thierry Breton. D’après SPE, 35 GW de panneaux devraient être installés dans l’Union européenne en 2024, contre 18,2 GW en 2020. « Aujourd’hui, seuls 2 à 3 % de la demande en Europe y sont fabriqués, insiste Anis ­Jouini. Notre rêve est d’en produire au moins la moitié. »

Le défi sera de concurrencer la Chine. Les leviers résident dans le prix des matériaux, l’augmentation de la surface et du rendement des cellules, et les cadences de production élevées. « Pour être compétitive, une usine doit avoir une capacité supérieure à 2 GW/an », assure le directeur général de l’Ines.

Le CEA voit dans sa cellule SHJ le moyen de reprendre l’avantage sur les acteurs installés. « Cela peut être un frein pour les acteurs qui ont déjà des usines, mais c’est un atout pour les nouveaux entrants qui peuvent se positionner directement sur une technologie avantageuse », affirme Sébastien Dubois, le chef du laboratoire des procédés pour cellules alternatives à l’Ines.

Des rendements plus élevés

Par rapport au c-Si dont le rendement des modules dépasse péniblement les 20 %, la cellule SHJ atteint 25 % sur un format industriel. « Elle est moins sensible à la perte de rendement due à l’échauffement, ajoute Sébastien Dubois. Et le procédé de fabrication est plus simple. » La grande différence vient du dépôt et du dopage du silicium amorphe qui s’effectuent en phase vapeur assistée par plasma. « Cela a lieu à basse température, en dessous de 250 °C, indique Sébastien Dubois. C’est moins contraignant et moins énergivore. » Pour le c-Si, le dopage a lieu dans des fours à plus de 800 °C.

La remplaçante potentielle de la cellule SHJ est en préparation dans un bâtiment voisin : la cellule tandem pérovskite sur silicium. Le principe consiste à ajouter une cellule à base de pérovskite sur une cellule SHJ. L’empilement de matériaux qui absorbent la lumière dans des longueurs d’onde complémentaires permet des gains de rendement importants. « Théoriquement, il est possible de dépasser 30 %, voire 40 % », explique Charles Roux, le chef du service cellules PV premium à l’Ines. Simple à mettre en œuvre et déposée en petite quantité, la pérovskite évite le coût élevé des cellules multi-jonctions en semiconducteurs III-V, détentrices des records de rendement et répandues dans le spatial. « Nous avons arrêté nos travaux sur ces cellules car la complexité et l’investissement étaient trop forts au regard de l’intérêt industriel », explique Yannick Veschetti, expert en cellules et modules photovoltaïques à l’Ines.

Une présence de plomb préoccupante dans la pérovskite

Dans la salle blanche dédiée aux cellules tandem, la R & D sur la pérovskite côtoie celle sur le silicium et a même remplacé celle sur le PV organique depuis fin 2019, souligne Sébastien Dubois. « Ce dernier a presque entièrement disparu chez nous. » Reste que les matériaux pérovskites présentent encore des défis. Le plus gros : la stabilité, le matériau se dégradant rapidement. Si des solutions se dessinent, notamment avec l’encapsulation des cellules, Yannick Veschetti pointe que « le déploiement de cette technologie sera conditionné par l’acceptation d’une part de risque par les pionniers ».

Une autre difficulté vient du dépôt des pérovskites, avec des procédés généralement à base de solvants, « moins adaptés à des grandes surfaces texturées, relève Sébastien Dubois. Notre objectif est de migrer vers de l’évaporation sous vide. » Comme pour le dépôt de silicium amorphe sur la cellule SHJ. Enfin, la présence de plomb dans la pérovskite est préoccupante. Le CEA se veut rassurant en indiquant que « ce n’est pas un point bloquant réglementairement », que l’encapsulation des cellules permettra de prévenir les risques et que des mesures strictes seront prises pour la fin de vie des panneaux. La recherche de matériaux pérovskites sans plomb anime toutefois la communauté scientifique. En attendant, le travail continue sur la ligne pilote de la cellule SHJ. Une montée en cadence est même en discussion pour produire plus vite. Autant d’impératifs pour rester dans la course au solaire.